Mikrovågsradiometer
En mikrovågsradiometer (MWR) är en radiometer som mäter energi som sänds ut vid våglängder på en millimeter till meter (frekvenser på 0,3–300 GHz ) känd som mikrovågor . Mikrovågsradiometrar är mycket känsliga mottagare designade för att mäta termiskt utsänd elektromagnetisk strålning . De är vanligtvis utrustade med flera mottagningskanaler för att härleda det karakteristiska emissionsspektrumet från planetariska atmosfärer, ytor eller utomjordiska föremål. Mikrovågsradiometrar används i en mängd olika miljö- och ingenjörstillämpningar, inklusive fjärranalys , väderprognoser , klimatövervakning, radioastronomi och radioutbredningsstudier .
Användning av mikrovågsspektralområdet mellan 1 och 300 GHz ger kompletterande information till det synliga och infraröda spektralområdet. Det viktigaste är att atmosfären och även vegetationen är halvtransparent i mikrovågsspektralområdet. Detta innebär att dess komponenter som torra gaser, vattenånga eller hydrometeorer interagerar med mikrovågsstrålning men totalt sett är inte ens den grumliga atmosfären helt ogenomskinlig i detta frekvensområde.
För väder- och klimatövervakning styrs mikrovågsradiometrar från rymden såväl som från marken. Som fjärranalysinstrument är de designade för att fungera kontinuerligt och autonomt ofta i kombination med andra atmosfäriska fjärrsensorer som till exempel molnradar och lidar . De tillåter härledning av viktiga meteorologiska storheter som vertikala temperatur- och luftfuktighetsprofiler , kolumnformad vattenångkvantitet och kolumnformad flytande vattenväg med en hög tidsupplösning i storleksordningen minuter till sekunder under nästan alla väderförhållanden . Mikrovågsradiometrar används också för fjärravkänning av jordens havs- och landytor, för att härleda havstemperatur och vindhastighet, isegenskaper och jord- och vegetationsegenskaper.
Historia
De första utvecklingarna av mikrovågsradiometer ägnades åt mätning av strålning av utomjordiskt ursprung på 1930- och 1940-talen. Den vanligaste formen av mikrovågsradiometer introducerades av Robert Dicke 1946 i Radiation Laboratory vid Massachusetts Institute of Technology för att bättre bestämma temperaturen på mikrovågsbakgrundsstrålningen. Denna första radiometer arbetade vid en våglängd på 1,25 cm och användes vid Massachusetts Institute of Technology. Dicke upptäckte också först svag atmosfärisk mikrovågsabsorption med hjälp av tre olika radiometrar (vid våglängder på 1,0, 1,25 och 1,5 cm).
Strax efter att satelliter först användes för att observera atmosfären blev mikrovågsradiometrar en del av deras instrumentering. 1962 lanserades Mariner-2- uppdraget av NASA för att undersöka Venus yta inklusive en radiometer för vattenånga och temperaturobservationer . Under följande år testades en mängd olika mikrovågsradiometrar på satelliter . Lanseringen av Scanning Multichannel Microwave Radiometer 1978 blev en viktig milstolpe i radiometrins historia. Det var första gången en koniskt avsökningsradiometer användes i rymden; den sköts upp i rymden ombord på NASA Nimbus-satelliten . Lanseringen av detta uppdrag gav möjligheten att avbilda jorden med en konstant infallsvinkel som är viktig eftersom ytemissiviteten är vinkelberoende. I början av 1980 utvecklades nya multifrekventa, dubbelpolariserade radiometriska instrument. Två rymdfarkoster lanserades som bar instrument av denna typ: Nimbus-7 och Seasat . Resultaten från Nimbus-7-uppdraget gjorde det möjligt att globalt övervaka tillståndet för havsytan och ytan täckt av snö och glaciärer . Idag används mikrovågsinstrument som Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU) och Special Sensor Microwave Imager / Sounder (SSMIS) i stor utsträckning på olika satelliter.
Markbaserade radiometrar för bestämning av temperaturprofiler utforskades först på 1960-talet och har sedan dess förbättrats vad gäller minskat buller och förmågan att köra obevakad 24/7 inom världsomspännande observationsnätverk. Recensionsartiklar och en detaljerad onlinehandbok finns tillgängliga.
Funktionsprincip
Fasta ämnen, vätskor (t.ex. jordens yta, hav, havsis, snö, vegetation) men även gaser avger och absorberar mikrovågsstrålning . Traditionellt uttrycks mängden strålning som en mikrovågsradiometer tar emot som den ekvivalenta svartkroppstemperaturen, även kallad ljushetstemperatur . I mikrovågsområdet uppvisar flera atmosfäriska gaser rotationslinjer. De tillhandahåller specifika absorptionsegenskaper som visas i en figur till höger som gör det möjligt att härleda information om deras överflöd och vertikala struktur. Exempel på sådana absorptionsegenskaper är syreabsorptionskomplexet (orsakat av magnetiska dipolövergångar) runt 60 GHz som används för att härleda temperaturprofiler eller vattenångabsorptionslinjen runt 22,235 GHz (dipolrotationsövergång) som används för att observera den vertikala profilen av fuktighet . Andra betydande absorptionslinjer finns vid 118,75 GHz (syreabsorption) och vid 183,31 GHz (vattenångabsorption, används för vattenångsprofilering under torra förhållanden eller från satelliter). Svaga absorptionsegenskaper på grund av ozon används också för stratosfärisk ozondensitet och temperaturprofilering.
Förutom de distinkta absorptionsegenskaperna hos molekylära övergångslinjer, finns det också icke-resonanta bidrag från hydrometeorer (vätskedroppar och frusna partiklar). Emissionen av flytande vatten ökar med frekvensen, och mätning vid två frekvenser, vanligtvis en nära vattenabsorptionslinjen (22,235 GHz) och en i det närliggande fönsterområdet (vanligtvis 31 GHz) som domineras av vätskeabsorption ger information om både den kolumnära mängden av vattenånga och den kolumnära mängden flytande vatten separat (tvåkanalsradiometer). Det så kallade "vattenångkontinuumet" uppstår från bidraget från långt borta vattenångledningar.
Större regndroppar såväl som större frusna hydrometeorer (snö, graupel, hagel) sprider också mikrovågsstrålning särskilt vid högre frekvenser (>90 GHz). Dessa spridningseffekter kan användas för att skilja mellan vatteninnehåll i regn och moln genom att utnyttja polariserade mätningar men också för att begränsa den kolumnära mängden snö och ispartiklar från rymden och från marken.
Design
En mikrovågsradiometer består av ett antennsystem, mikrovågsradiofrekvenskomponenter (front-end) och en back-end för signalbehandling vid mellanfrekvenser. Atmosfärssignalen är mycket svag och signalen behöver förstärkas med cirka 80 dB. Därför heterodyna tekniker ofta för att omvandla signalen ner till lägre frekvenser som tillåter användning av kommersiella förstärkare och signalbehandling. Allt lägre brusförstärkare blir tillgängliga på högre frekvenser, dvs upp till 100 GHz, vilket gör heterodyna tekniker föråldrade. Termisk stabilisering är mycket viktig för att undvika mottagarens drift.
Vanligtvis är markbaserade radiometrar också utrustade med miljösensorer ( regn , temperatur , luftfuktighet ) och GPS- mottagare (tid och platsreferens). Själva antennen mäter ofta genom ett fönster av skum som är genomskinligt i mikrovågsspektrat för att hålla antennen ren från damm, flytande vatten och is. Ofta är även ett uppvärmt fläktsystem kopplat till radiometern som hjälper till att hålla fönstret fritt från vätskedroppar eller dagg (starka strålare i MW) men också fritt från is och snö .
Som framgår av figuren ovan, efter att radiofrekvenssignalen tagits emot vid antennen, konverteras den ned till mellanfrekvensen med hjälp av en stabil lokaloscillatorsignal. Efter förstärkning med en lågbrusförstärkare och bandpassfiltrering kan signalen detekteras i full effektläge, genom att dela upp eller dela upp den i flera frekvensband med en spektrometer. För högfrekventa kalibreringar används här en Dicke-switch.
Kalibrering
Kalibreringen av mikrovågsradiometern lägger grunden för noggranna uppmätta ljusstyrkatemperaturer och därför för noggranna hämtade atmosfäriska parametrar som temperaturprofiler , integrerad vattenånga och flytande vattenväg. Den enklaste versionen av en kalibrering är en så kallad "varm-kall"-kalibrering med två referenssvarta kroppar vid kända, men olika, "heta" och "kalla" temperaturer , dvs. anta ett linjärt förhållande mellan ineffekt och utspänning från detektorn . Genom att känna till referensernas fysikaliska temperaturer kan deras ljushetstemperaturer beräknas och direkt relateras till detekterade spänningar hos radiometern, sålunda kan det linjära förhållandet mellan ljushetstemperaturer och spänningar erhållas.
Temperaturerna för kalibreringsmålen bör väljas så att de spänner över hela mätområdet . Markbaserade radiometrar använder vanligtvis ett mål för omgivningstemperaturen som "het" referens. Som ett kallt mål kan man använda antingen en flytande kvävekyld svartkropp (77 K) eller en zenit klar himmel TB som erhölls indirekt från radiativ överföringsteori. Satelliter använder ett uppvärmt mål som "het" referens och den kosmiska bakgrundsstrålningen som "kall" referens. För att öka noggrannheten och stabiliteten för MWR-kalibreringar kan ytterligare kalibreringsmål, såsom interna bruskällor eller Dicke-omkopplare användas.
Hämtning av temperatur- och vattenångprofiler
Hämtning av fysiska kvantiteter med hjälp av mikrovågsradiometri (t.ex. temperatur- eller vattenångprofiler ) är inte okomplicerad och omfattande hämtningsalgoritmer (med inversionstekniker som optimal uppskattning ) har utvecklats.
Temperaturprofiler erhålls genom att mäta längs syreabsorptionskomplexet vid 60 GHz. Emissionen valfri höjd är proportionell mot temperaturen och densiteten av syre . Eftersom syre är homogent fördelat i atmosfären och runt om i världen, kan ljusstyrkans temperatursignaler användas för att härleda temperaturprofilen. Signaler i mitten av absorptionskomplexet domineras av atmosfären närmast radiometern (när den är markbaserad). När man rör sig in i fönsterområdet är signalen en överlagring från nära och avlägsna delar av atmosfären. Kombinationen av flera kanaler innehåller därför information om den vertikala temperaturfördelningen. Ett liknande tillvägagångssätt används för att härleda vertikala profiler av vattenånga med användning av dess absorptionslinje vid 22,235 GHz.
Satellitinstrumentering
Mikrovågsinstrument flygs på flera polära satelliter för jordobservation och operativ meteorologi samt en del av utomjordiska uppdrag.
Man skiljer mellan avbildningsinstrument som används med konisk skanning för fjärravkänning av jordytan , t.ex. AMSR , SSMI , WINDSAT , och ljudinstrument som drivs i tvärspårsläge, t.ex. AMSU / MHS . Den första typen använder lägre frekvenser (1–100 GHz) i atmosfäriska fönster för att observera havsytans salthalt , markfuktighet, havsytans temperatur , vindhastighet över havet, nederbörd och snö. Den andra typen används för att mäta längs absorptionslinjer för att hämta temperatur och fuktighetsprofil. Dessutom används ekolod , t.ex. MLS, för att hämta spårgasprofiler i den övre atmosfären .
Andra exempel på mikrovågsradiometrar på meteorologiska satelliter inkluderar Special Sensor Microwave/Imager , Scanning Multichannel Microwave Radiometer , WindSat , Microwave Sounding Unit och Microwave Humidity Sounder . Microwave Imaging Radiometer med Aperture Synthesis är en interferometer/avbildningsradiometer som kan lösa upp markfuktighet och salthalt över små ytområden.
Rymdsondsinstrument
På 2010-talet har fyra mikrovågsradiometrar flugits på interplanetära rymdfarkoster. Den första var Mariner 2 , som använde ett mikrovågsinstrument för att bestämma den höga yttemperaturen på Venus kom från ytan inte högre upp i atmosfären. Det finns/fanns också radiometrar på Juno Jupiter-sonden, Rosetta- kometsonden och Cassini-Huygens .
Juno-sonden, som lanserades 2011, karaktäriserar Jupiters atmosfär med hjälp av en mikrovågsradiometersvit. Instrumentet Microwave Radiometer (MWR) på Juno har flera antenner som observerar i flera olika mikrovågsvåglängder för att penetrera planetens översta molnskikt och upptäcka egenskaper, temperaturer och kemiska överflöd där.
Markbaserade nätverk
MWRnet är ett nätverk etablerat 2009 av forskare som arbetar med markbaserade mikrovågsradiometrar. MWRnet syftar till att underlätta utbyte av information i MWR-användargemenskapen och främja deltagande i samordnade internationella projekt. I det långa loppet syftar MWRnets uppdrag till att sätta upp operativ programvara, kvalitetskontrollprocedurer, dataformat etc. liknande andra framgångsrika nätverk som EARLINET, AERONET , CWINDE.